CN104080570B - 激光加工系统头组件的动态高度调节系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动态高度调节系统和方法，所述系统和方法在整个加工周期期间使用激光加工系统的头组件的电容。所提出的系统和方法包括使用单一频率，其中测量和处理相位变化以增加的可靠性来确定高度变化以及工件之间的距离。所述系统还实现了可操作的计算机化的处理器控制以及集成系统和可选的远程接口上的加工控制信号和反馈分布的实质上改进。

Description

激光加工系统头组件的动态高度调节系统和方法

技术领域

本发明涉及优选地与激光加工系统一起使用的动态高度调节系统和方法。更具体地，本发明提供了包括使用单一频率的动态切割头高度调节系统，其中对相位变化进行处理以在增加可靠性和增强的工艺控制下确定工件上高度的变化。

背景技术

从申请人在2011年10月1日递交的美国专利申请号No.61/542,156中创新性研发中认识了激光加工系统的切割头组件，将其全部内容合并在此作为参考。申请人的切割头可选地包括如这里所述使用的同一地点或远程计算机化的加工控制器。这种系统讨论了通过激光束加工工件的有效系统。

从美国专利5,694,046(Hillerich)可知用于监测工件的热处理(焊接)的方法。这种方法采用一些要求来形成与参考频率分配相比更加复杂的测量电容频率分布，以确定工件的热加工参数(焊接)。认识到这种复杂的信号方法采用了信号确定中的延迟，容易由于电压波动、信号干扰误差和在焊接期间的单独激光脉冲持续时间上不能连续记录测量的电容而折衷。这种方法不适用于在集成的动态生产周期中对高速激光加工的连续适应。

因此，需要一种针对激光加工系统头组件的改进的动态高度调节系统和方法。

发明内容

响应于所提到问题的至少一个，本发明提供了一种操作激光加工系统的头组件的动态高度调节系统和方法。所提出的方法和系统允许在整个加工周期期间的精确加工控制，所述加工不局限于所实施的激光加工的类型。

在本发明的备选改进中，加工控制在整个加工周期使用激光加工系统头组件的电容，其中监测单一频率的相位变化以确定工件和激光喷嘴之间的距离变化。

本发明的另一个方面实现了备选的工件形状、材料、类型、涂层和厚度的容易和可操作集成，同时保持连续的加工。

本发明的再一个方面实现了环境加工温度的校正，以消除信号误差并且增强加工控制。

在本发明的再一个备选方面中，所提出的方法和系统可操作适用于切割多种工件，包括金属并且更具体地包括在一个或多个侧面上涂覆的材料。

在所提出的本发明的另外一个改进中，所述系统和方法以改进的精度适应非平坦的、或者可以是实质上平坦的但是包含非平坦区域的工件。

在所提出的本发明的另外一个改进中，可以通过中央加工控制单元或者一个或多个远程加工控制单元来可操作地控制多个连续的切割头。

所提出的方法和系统还可操作地实现了在整个连续加工周期期间对一个或多个切割头的令人满意的监测，具体地其中连续的加工周期包括使用-不使用的间隔，或者其中工件可以经历可变速率的热膨胀。

本发明的另一个方面实现了与具有相同或不同厚度的工件一起使用的一个或多个加工头的可操作控制，使得加工控制器可以采用每个工件的初始厚度的表示，用于通过使用周期对单独加工头的可操作导引。

所提出的系统和方法包括单一频率的使用，其中连续地测量相位变化，并且连续的加工在增加的可靠性和迅速适应性内确定工件之间高度或距离的变化。

所述系统还实现了多个可操作计算机化的处理器控制，以及在集成加工系统和可选的远程接口上的加工控制信号和反馈分布的实质上改进。

根据本发明的备选实施例，提出了一种激光加工系统中相对于工件来调节切割头高度的方法，包括步骤：相对于工件定位切割头中的电容传感器；至少向传感器施加具有第一频率的第一信号；通过在使用期间评估第一信号来连续地监测随传感器的电容变化的第一信号的相位变化；以及将所述相位变化与测量的切割头高度基准范围进行比较，从而确定切割头相对于工件的高度。

根据本发明的另一个备选实施例，提出了一种激光加工系统中相对于工件来调节切割头高度的方法，包括步骤：相对于工件定位切割头中的电容传感器，所述电容传感器包括喷嘴和隔离的传感器模块；产生频率相等但是相位不同的第一信号和第二信号；向电容传感器施加第一信号；根据切割头相对于工件的位置来检测随电容传感器中的电容变化的第一信号的相移；将第二信号调节为与第一信号相位相差约-90°的固定值；通过评估第一信号相对于第二信号的固定值相位差的相移来确定随传感器的电容变化的第一信号的相移；以及将所述电容变化与高度与相位变化的映射基准进行比较，从而确定在使用期间切割头和工件之间的相对高度。

根据本发明的另一个备选可选实施例，提出了一种激光加工系统中相对于工件来调节切割头高度的系统，包括：切割头中相对于工件的电容传感器；至少向传感器施加具有第一频率的第一信号的装置；检测器，用于通过在使用期间评估第一信号来连续地监测随传感器的电容变化的第一信号的相位变化；以及可操作比较系统，用于将所述相位变化与测量的切割头高度基准范围进行比较，从而确定切割头相对于工件的高度。

根据结合附图阅读的以下描述，本发明的以上和其他方面、特征和优点将变得清楚明白，其中类似的参考数字表示相同的元件。

附图说明

图1是根据本发明的可选系统的示意性说明，注意切割头相对于工件。

图2是根据本发明的切割头和工件的示意性说明。

图3是引起放大的输出转到全部范围的单一频率相位信号偏移(来自相位检测器)的图形表示，将这种放大的相位检测器输出数字化，并且测量的相位变化表示切割头中的电容变化。

图4是电容(作为相位测量输出电压(mV))和与工件的相距高度(以mm为单位)之间的非线性关系的图形表示。

图5是切割头传感器电子系统的示意性表示，注意：切割头喷嘴、加工控制单元以及用于可操作循环使用的各种信号和支撑元件之间的相互关系。

图6是所提出的用于激光加工系统的头组件的系统和方法的示范性加工流程图。

具体实施方式

现在详细参考本发明的实施例。在可能的情况下，在附图中使用相同或类似的参考数字，并且其描述指的是相同或类似的部分或步骤。附图是按照简化形式，并且没有精确缩放。只是为了方便和清楚的目的，可以相对于附图使用方向性的指示术语。这些类似的方向性术语不应该解释为按照任何方式限制本发明的范围。

参考图1，本发明的一个备选方式提出了一种激光加工系统(经由所示的切割头合并)的头组件的动态高度调节系统10。各种元件通信并且可操作地连接以使得系统10能够在连续周期中操作。系统10包括：基站1，具有至少一个以及可选地若干加工控制器2，加工控制器2与切割头元件3可操作地连接，具有传感器并控制处理器3A，相对于工件4定位并且经由在11处表示的可操作控制回路可控地与Z台组件5连接，所述Z台组件实现了切割头3相对于工件4的实时精确定位。

如图1所述，可以提供多个可选的通信结构，包括如本领域技术人员所理解的经验多种互连通信路径向可选客户计算机或分离的电子控制器封装8的传输。为了这里讨论的目的，应该理解的是在每个下文的段落中，所有形式的通信意在按照本领域普通技术人员易于理解的方式合并在此作为参考。

系统部件之间的可选通信路径的表

应该理解的是，使用高度感测的电子装置与以如前所述的设计用于集成到激光系统中的切割头一起使用，并且优选地与切割片状材料、管状材料等的平板激光系统一起使用。这种系统易于适应可变的切割结构以及相对于重力场的任意取向。

相距高度应该理解为切割头在切割表面上方的距离，并且可选地可以理解为包括预设的校正因子。相距高度的精确控制和保持对于性能来说是重要的。可以在基于机器人切割系统中使用不同的切割头设计(较长的喷嘴)，并且应该理解的是落在本公开的范围内。典型地，所需的相距高度是0.5mm至2.0mm，优选地1.0mm，期望误差±0.1mm，但是可以是基于多种操作因素、材料、表面涂层、焦点、切割或热处理速度和其他操作变量的任意范围。

切割头3可以是对于如这里所述的功能有效的任意可操作结构，并且应该理解的是可操作用于本领域普通技术人员已知的任意连接器、功耗或者通信元件。

如具体地讨论的，切割头3包括高度传感器PCB，备选地作为电容传感器讨论，以及用于有效操作的加工控制器封装，表示为3A。切割头传感器接口是以太网上具有适当汲取电流的功率，例如8.3mA和30MA之间的48v。符合的接口使用标准的PD接口，并且进行编程以将浪涌电流限制为与无源电源一起使用的可接受值，从而在插入到设备中和接收其作为系统10的PD之间产生功能延迟。另外的部件可以包括提供内部隔离的隔离转换器，并且可选地感测部件可以定位于工件下面甚至定位于工件上，对所述工件进行加工以提供进一步的加工反馈。

基站1包括专用以太网以与切割头3通信、以及外部客户系统7和8。可以无限制地提供通信链路。提供合适的电子装置以实现如这里所讨论的操作。一系列要求的信号输入和输出通过以太网或其他形式的通信(上述)可用于用户。下面讨论最小要求的输入-输出。

按照非限制概述包含选择的加工变量和控制器感测功能的输入-输出类型/结果的表

应该理解的是为了良好质量的正确切割，可以在切割头相对于表面的移动期间保持相距高度。不幸的是，由于平坦度、厚度、涂层、物理变形(弯曲)和热变形(膨胀)的非理想性，可以存在表面高度变化。这些变化可以发生在加工中(可以在加工期间变化)。上面提到了典型的切割高度，但是所提出的系统10操作用于测量相距高度，向加工控制器报告结果(在头3中或者从图3远程地，或者两者都进行)并且操作用于触发系统动作，包括经由链路11触发Z轴控制器和Z台5。

现在参考图2，可操作的切割头3包括：具有微控制器电子装置(按照任意可操作形式设置，包括环形、平坦、多剖面(三维)等等)的主外壳构件16、连续地远离的工件4、铜喷嘴构件15、绝缘体14、隔离的传感器模块13和另外的绝缘体12，以可操作地实现如将在这里讨论的电容测量系统。

头3的喷嘴15和隔离的传感器模块13形成了电容器，并且具有受到相距正在切割的材料的一定距离影响的电容。当喷嘴的高度从0.1mm变化为10mm时，这种电容变化约4pF。类似地，应该理解的是触碰工件的喷嘴15造成了信号的显著变化(标记为“触碰”)，隔离的传感器模块13碰到物体也提供信号中的变化(标记为“碰撞”)，并且喷嘴15跌落也产生可辨识的信号。

在操作中，在由喷嘴15和隔离的传感器模块13形成的电容器两端施加10MHz的符号波(signwave)。电容中的较小变化引起信号中的较小(几度)的相移。例如通过AD公司的AD8302增益和相位检测器测量所述信号和基准波形。通过具有高增益的缓冲放大器在感兴趣的范围对相位信号进行放大。应该理解的是在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以适应性地并且可互换地使用短语电容传感器、高度传感器和切割头传感器，并且本领域普通技术人员同样应该理解。

现在参考图3，10°相移(来自相位检测器的delta100mV)(V(v-phase))的仿真引起了放大器输出(V(phaseout))满量程。将放大的相位检测器输出数字化，并且这种测量的相位变化表示头3中的电容变化。

现在参考图4，头3中的电容变化不是线性的。通过使用例如光学测量的任意可操作装置将切割头3校准到测量的高度，可以将电容变化映射到针对具体操作系统的高度。图4是来自所提出方法和系统的相位测量输出电压对相距高度的示例，应该理解的是，对特定激光系统相对于工件的高度进行映射的过程可能在操作之前发生，或者使用本领域普通技术人员已知的任意测量方法(包括光学、声学(换能器)或者机械方法)在动态加工周期中发生。例如，尽管示例系统采用了图4的单一映射功过程，应该理解的是可以通过利用加工控制器的反馈向切割头3添加映射或测量系统，来采用连续的映射过程，用于连续的调节。结果，应该理解是所提出的方法和系统是自适应动态的。

现在参考图5，讨论了切割头3中电子装置示意图的示例，并且如本领域普通技术人员所理解的保持不加编号。作为非限制性示例，切割头3可以包括LPC17xx微控制器(示为LPC1768)以将高度和其他数据传送回基站1并且经由以太网传送至另外的加工控制器。通过并入加速度计，以切割头3与工件4的相对运动来分离运动。基站1允许模拟、数字和总线输入/输出的较宽阵列以适应不同的使用要求。基站1可以具有一个或多个微控制器。

在另外的解释中，所提出的电容传感器、高度传感器或者切割头传感器(3A)采用两载波相干合成器(来自312.50MHz的系统时钟)，以产生在频率相等但是相位不同的两载波信号。这里，当变容变化±5pF时，一个信号(信号一)相移平均每个电容性头40pF(表示为10MHz下的400欧姆环境)。1∶8变压器将此转换为50-欧姆320pF。将第二信号(信号二)调节至固定值，所述固定值产生了两个载波信号之间接近-90°的相位差，如可以通过0.175°相位步长实现的。

通过具有两个输出(如所示的)的AD8302ARUZ增益-相位检测器IC来确定相位检测。相位检测器的一个输出是10mV/°相位。相位检测器的第二输出是10mV/dB相对幅度。相位检测器是可调的，这里具有在初始调节位置周围±3.3°的调节范围以及0.003°的粒度(在现有技术中已知的3.3V12-比特ADC)。因此，实现了约±30量化级别的初始调节精度，并且呈现出实质上的精度跟随调节。

实践中，基站1经由加工控制器2规则地采样高增益相位和相关幅度(例如，通过现有技术中已知的第二微控制器类型LPC1768)。高增益相位和相对幅度偏移了±30量化级别的初始调节误差。然后作为将高精度相位和相对幅度与高度对相位、长短(short)对幅度的表进行比较，并且对于作为非限制性示例，发出高度和长短信息以供8处的目标客户接口进一步使用。

如上所述，所提出的系统10实现了温度灵敏度的调节。所提出的相位检测器系统具有相位输出对环境温度中的温度系数，这导致了将高度误差估计为±10-20μm/℃。因此，通过管理电路传感器，通过切割头3、基站1或者远程系统7或8中的一个或多个加工控制器来管理温度误差。如所提出的，提供头温度传感器和头电路以将所提出的相位检测器(芯片)升温到约50℃，并且保持这种温度(尽管可以限制地使用其他温度)。目标设置点使得加热器电路能够保持温度。例如距±2.5℃的控制设置点±5℃。

作为非限制性示例，多个切割头3(每一个具有内部传感器)和控制器3A可以由单个基站在生产周期中联合操纵，其中工件可以改变实质上通过循环路径的高度。因此，通过管理上述特征，根据本发明可以易于实现连续的可操作高度调节。

现在参考图6的示例加工流程，其中加工操作100包括步骤：按照上述任意形式将初始加工周期数据101输入到加工控制器102；并且将所选择的输入存储在与数据计算器104可操作地连接的数据存储器103中，数据存储器103和数据计算器104均与输入/输入零件105通信。在使用中，起始操作步骤106开始于表面接近107和初始高度的确认108，然后开始(任意类型的)期望的激光处理加工。其后，在整个连续的加工中执行连续的高度感测步骤109。如果系统100在步骤110确定在范围内，则加工继续操作并且在步骤114中进行监测，直到循环115完成为止。然而，如果在步骤110确定超出范围，则发起高度调节的周期112并且可选地停止步骤113，以确保只在操作范围中。如所提到的，输入/输出步骤105(以及加工控制器交互步骤102)通过某步骤(经由连续读取步骤109)或经由直接链接(例如初始高度确定步骤108)在系统100中连续地与每一个可操作步骤通信。应该理解的是数据存储步骤103和数据计算步骤104由于可以通过操作控制进行修改，因此在每一个操作周期中连续地使用。

应该理解的是焦点在于激光器聚焦的喷嘴尖端下面的距离。通常焦点需要在正在切割的材料表面下面，并且潜在地可能延伸通过材料。还应该理解的是短语PoE(或者以太网上的功率)是包括功率的以太网连接。

应该理解的是所提出的系统和方法可以没有限制地在加工周期以及在不同的工件上连续地操作，并且这种对连续的理解包括激光使用预激光器使用和后激光器使用，使得整个系统和方法将理解为“在原地”操作或者在系统的整个使用期间操作。学习了整个说明书的本领域普通技术人员将进一步认识到所提出的系统和方法的广泛应用，并且可以改进、去除、替换、编辑或者改变所采用的系统和部件，并且应该理解的是所有这样的动作都在本方面的范围内。

作为非限制性示例，所提出的本发明在操作上优选的位置采用了一个或多个微控制器或加工控制器。然而，本发明中并没有限制这些控制器的具体个数、形状、位置或类型。实际上，本领域普通技术人员应该认识到，任意位置的单个控制器足以在系统部件之间建立操作上足够的通信回路。

作为另外的非限制性示例，所提出的切割头、基站、定时PCL或可选的PC等之间的通信路径应该理解为示例性的。单个的基站是足够的，或者所提出的系统可以是实质上自主的(没有切割头外部的连续信号)，或者这种通信可以完全远离切割头，而仅通过无线信号通信。按照这种方式，本领域普通技术人员应该理解的是本发明的范围及其所有这些改进意在落在本发明的范围和精神之内。

已经参考附图描述了本发明优选实施例中的至少一个，对于本领域普通技术人员清楚的是本发明并非局限于这些精确的实施例，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可以在所公开的系统中实现各种改进和变化。因此，只要在所附权利要求及其等价物的范围之内，本公开意在覆盖所提出的本公开的改进和变化。

Claims (11)

1.一种激光加工系统中相对于工件来调节切割头高度的方法，包括以下步骤：

相对于所述工件定位所述切割头中的电容传感器；

至少向所述电容传感器施加具有第一频率的第一信号；

向所述电容传感器施加第二信号，所述第二信号具有所述第一频率、但是具有与所述第一信号不同的固定相位，并且操作为基准信号；

在监测所述第二信号的同时，通过在使用期间评估所述第一信号来连续地监测随所述电容传感器的电容变化的所述第一信号的相位变化；以及

将所述相位变化与测量的高度基准范围进行比较，从而确定所述切割头相对于所述工件的高度。

2.根据权利要求1所述的激光加工系统中相对于工件来调节切割头高度的方法，还包括以下步骤：

在操作范围上对所述第一信号进行放大；以及

将所述放大的第一信号数字化，从而增强所述连续监测的相位变化的分辨率。

3.根据权利要求1所述的激光加工系统中相对于工件来调节切割头高度的方法，还包括以下步骤：

在所述激光加工系统中提供定位系统，用于在所述使用期间相对于所述工件定位所述切割头；

所述方法还包括以下步骤：

根据所述确定的切割头高度来产生控制信号；

相对于确定的加工参数来监测所述控制信号；以及

根据所述控制信号连续地控制所述定位系统，以在所述使用期间定位所述切割头。

4.根据权利要求1所述的激光加工系统中相对于工件来调节切割头高度的方法，其中：

监测所述第二信号以确定所述使用期间所述第一信号的相位变化的相对幅度。

5.根据权利要求1所述的激光加工系统中相对于工件来调节切割头高度的方法，其中：

在所述比较步骤之后，所述方法包括以下步骤：

相对于所述切割头距所述工件的高度的测量范围来确定针对所述第一频率的相位变化的校准范围。

6.一种激光加工系统中相对于工件来调节切割头高度的方法，包括以下步骤：

相对于所述工件定位所述切割头中的电容传感器，所述电容传感器包括喷嘴和隔离的传感器模块；

产生频率相等但相位不同的第一信号和第二信号；

向所述电容传感器施加所述第一信号；

根据所述切割头相对于所述工件的位置来检测随所述电容传感器的电容变化的所述第一信号的相移；

将所述第二信号调节为与所述第一信号的相位相差约-90°的固定值；

通过评估第一信号相对于所述第二信号的所述固定值相位差的相移来确定随所述电容传感器的电容变化的所述第一信号的相移；以及

将所述电容变化与高度对相位变化的映射基准进行比较，从而确定在使用期间所述切割头和所述工件之间的相对高度。

7.根据权利要求6所述的激光加工系统中相对于工件来调节切割头高度的方法，还包括以下步骤：

在所述激光加工系统中提供定位系统，用于在所述使用期间相对于所述工件定位所述切割头；

所述方法还包括以下步骤：

根据所述确定的切割头高度来产生控制信号；

相对于确定的加工参数来监测所述控制信号；以及

根据所述控制信号连续地控制所述定位系统，以在所述使用期间定位所述切割头。

8.一种激光加工系统中相对于工件来调节切割头高度的系统，包括：

所述切割头中的相对于所述工件的电容传感器；

向所述传感器施加具有第一频率的第一信号的装置；

向所述电容传感器施加第二信号的装置，所述第二信号具有所述第一频率、但是具有与所述第一信号不同的固定相位，并且操作为基准信号；

检测器，用于通过在使用期间评估所述第一信号来连续地检测随所述传感器的电容变化的所述第一信号的相位变化；以及

操作比较系统，用于将所述相位变化与测量的切割头高度基准范围进行比较，从而确定所述切割头相对于所述工件的高度。

9.根据权利要求8所述的激光加工系统中相对于工件来调节切割头高度的系统，还包括：

所述激光加工系统中的定位系统，用于在所述使用期间相对于所述工件定位所述切割头；

发生器，用于根据所述确定的切割头高度来产生控制信号；

监测器，用于相对于确定的加工参数来监测所述控制信号；以及

加工控制器，用于根据所述控制信号连续地控制所述定位系统来在所述使用期间定位所述切割头。

10.根据权利要求9所述的激光加工系统中相对于工件来调节切割头高度的系统，其中

所述加工控制器用于监测所述第二信号作为基准波形，

所述加工控制器在所述切割头中，并且与所述定位系统、所述电容传感器和所述激光加工系统进行操作性通信。

11.根据权利要求10所述的激光加工系统中相对于工件来调节切割头高度的系统，还包括：

热敏度补偿器，操作用于所述电容传感器。